4.5 Микропроцессоры в электрических аппаратах

4.5.1 Определения и особенности микропроцессора, микропроцессорной системы и микроконтроллера

Микропроцессором (МП) называют построенное на одной (реже на нескольких) БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им. Применение приставки «микро» к термину «процессор» носит исторический характер, поскольку в современной микроэлектронике и вычислительной технике о другой реализации процессов и речи быть не может.

МП является основным устройством обработки информации в микропроцессорной системе (или микроЭВМ). Микропроцессорная система (МПС) реализует выполнение заданной программы и содержит в своем составе микропроцессор, память, устройства ввода/вывода и интерфейсные схемы.

Микропроцессоры и МПС универсальны, поскольку при решении различных задач изменяется реализуемая программа, а их структура остается неизменной. Универсальность МП и привела к их широкому распространению, увеличению объемов их производства и, как следствие, к снижению их стоимости.

По типу архитектуры, или принципу построения, различают МПС с принстонской архитектурой (архитектурой фон Неймана) и МПС с гарвардской архитектурой. Первые МПС строились по принстонской архитектуре, в которой память для команд и данных является общей. Достоинства этой архитектуры: простота, возможность оперативного перераспределения памяти между областями хранения команд и данных и др. Недостаток – последовательная во времени выборка из памяти команд и данных, передаваемых по одной и той же системной шине, что ограничивает производительность МПС.

В гарвардской архитектуре память разделена на память команд и память данных, причем каждая из них имеет собственную шину для общения с процессором. При этом во время передач данных для выполнения текущей команды можно производить выборку и расшифровку следующей, что повышает производительность МПС.

По типу системы команд микропроцессоры делятся:

на CISC-процессоры;

RISC-процессоры;

VLIW-процессоры.

Процессоры CISC(Complex Instruction Set Computer) имеют так называемую сложную систему команд, т. е. большой набор разноформатных команд при использовании многих способов адресации. АрхитектураCISCприсуща классическим процессорам.

Процессоры RISC(Reduced Instruction Set Computer) имеют сокращенную систему команд. Исключены редко применяемые команды. Форматы команд в большинстве случаев идентичны. Используется, как правило, непосредственная и регистровая адресация. Значительно увеличено число регистров процессора, что позволяет редко обращаться к внешней памяти, а это повышает быстродействие системы.

Особенность процессоров VLIW(Very Long Instruction Word) заключается в использовании очень длинных команд (16 и более байт). Одна длинная команда определяет сразу группу операций. Такие процессоры считаются перспективными.

Производительность микропроцессоров растет с каждым днем. В выпускаемых сегодня процессорах применяются: конвейерная обработка информации (переход к выполнению этапа следующей команды сразу после освобождения ступени конвейера обработки этапа предыдущей команды); кэш-память, установленная на одном кристалле с процессором; предсказатели ветвления программы; используется разделение ядра процессора (двуядерные МП) и т. д.

Кроме понятий «микропроцессор» и «микропроцессорная система» существует также понятие «микропроцессорный комплект». Микропроцессорным комплектом (МПК) называют совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в составе МПС. Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместность по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.).

Микроконтроллеры (МК) – разновидность микропроцессорных систем, ориентированных на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. Сейчас стало возможным размещать микроконтроллеры на одном кристалле (однокристальные микроЭВМ).

Микроконтроллер значительно проще универсальной микроЭВМ. Прежде всего, МК в сравнении с универсальной микроЭВМ характеризуются меньшим объемом и быстродействием памяти, менее разработанным составом внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия запоминающих устройств (микросхемы ОЗУ, микросхемы ПЗУ, флэш-память и т. д.), что необходимо для решения разнообразных задач, возложенных на универсальную микроЭВМ. МК реализует менее сложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, гораздо меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения.

В большинстве случаев МК содержат RISC-процессоры. Эти процессоры характеризуются набором однотипных команд с ограниченным числом способов адресации, увеличенным числом внутренних регистров процессора, что позволяет реже обращаться к внешней памяти МПС. Все это приводит к упрощению процессора и к увеличению быстродействия системы.

Микроконтроллеры, конечно же, менее универсальны по сравнению с микроЭВМ широкого назначения. Но и выполняемые ими задачи строго ограничены. И поэтому аппаратных возможностей МК должно быть достаточно именно для выполнения возложенных на него задач.

Сегодня выпускаются 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры фирм Intel,Atmel,Motorola,Microchip,Zilogи др. Большую долю рынка составляют 8-разрядные микроконтроллерыAVR(фирмыAtmel), семейство 8051 (фирмыIntel) и микроконтроллеры семействаPIC(фирмыMicrochip).